Erforschung der Quantengravitation: Physiker stellen sich auf den kosmischen Ring der Schwarzen Löcher ein

Von Whitney Clavin, Caltech, 29. Mai 2023

Caltech-geleitete Studien schlagen neue, strenge Tests für Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vor und suchen nach Anzeichen der Quantengravitation in den Wellen der Raumzeit, die durch Kollisionen von Schwarzen Löchern erzeugt werden. Eine Studie präsentiert eine Gleichung für das Verhalten von Schwarzen Löchern innerhalb der Quantengravitationstheorien und baut auf früheren Arbeiten auf, während die zweite eine Methode zur Anwendung dieser Gleichung auf Daten von LIGO, einem Gravitationswellenobservatorium, vorschlägt, um mögliche Abweichungen von der allgemeinen Relativitätstheorie zu erkennen.

New methods will allow for better tests of Einstein's general theory of relativity using LIGOThe Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) is a large-scale physics experiment and observatory supported by the National Science Foundation and operated by Caltech and MIT. It's designed to detect cosmic gravitational waves and to develop gravitational-wave observations as an astronomical tool. It's multi-kilometer-scale gravitational wave detectors use laser interferometry to measure the minute ripples in space-time caused by passing gravitational waves. It consists of two widely separated interferometers within the United States—one in Hanford, Washington and the other in Livingston, Louisiana." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">LIGO-Datum.

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, wie sich das Gefüge von Raum und Zeit bzw. die Raumzeit als Reaktion auf die Masse krümmt. Unsere Sonne zum Beispiel verzerrt den Raum um uns herum, so dass der Planet Erde wie eine in einen Trichter geworfene Murmel um die Sonne rollt (die Erde fällt aufgrund der Seitwärtsbewegung der Erde nicht in die Sonne).

Die Theorie, die zum Zeitpunkt ihrer Einführung im Jahr 1915 revolutionär war, formulierte die Schwerkraft als eine Krümmung der Raumzeit. So grundlegend diese Theorie für die Natur des uns umgebenden Raums auch ist, sagen Physiker, dass dies möglicherweise nicht das Ende der Geschichte ist. Stattdessen argumentieren sie, dass Theorien der Quantengravitation, die versuchen, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen, Geheimnisse darüber bergen, wie unser Universum auf den tiefsten Ebenen funktioniert.

Die Gleichung von Dongjun Li und seinen Mitarbeitern beschreibt, wie Schwarze Löcher das Regime jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie einläuten würden. Bildnachweis: Caltech

One place to search for signatures of quantum gravity is in the mighty collisions between black holes, where gravity is at its most extreme. Black holes are the densest objects in the universe—their gravity is so strong that they squeeze objects falling into them into spaghetti-like noodles. When two black holes collide and merge into one larger body, they roil space-time around them, sending ripples called gravitational wavesGravitational waves are distortions or ripples in the fabric of space and time. They were first detected in 2015 by the Advanced LIGO detectors and are produced by catastrophic events such as colliding black holes, supernovae, or merging neutron stars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Gravitationswellen nach außen in alle Richtungen.

Dongjun Li. Bildnachweis: Caltech

The National Science Foundation-funded LIGO, managed by Caltech and MIT, has been routinely detecting gravitational waves generated by black holeA black hole is a place in space where the gravitational field is so strong that not even light can escape it. Astronomers classify black holes into three categories by size: miniature, stellar, and supermassive black holes. Miniature black holes could have a mass smaller than our Sun and supermassive black holes could have a mass equivalent to billions of our Sun." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Verschmelzungen von Schwarzen Löchern seit 2015 (die Partnerobservatorien Virgo und KAGRA beteiligten sich 2017 bzw. 2020 an der Jagd). Bisher hat die Allgemeine Relativitätstheorie jedoch einen Test nach dem anderen bestanden, ohne dass es Anzeichen für einen Zusammenbruch gab.

Now, two new Caltech-led papers, in Physical Review X and Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Physical Review Letters beschreiben neue Methoden, um die Allgemeine Relativitätstheorie noch strengeren Tests zu unterziehen. Durch eine genauere Betrachtung der Strukturen von Schwarzen Löchern und der von ihnen erzeugten Wellen in der Raumzeit suchen die Wissenschaftler nach Anzeichen kleiner Abweichungen von der Allgemeinen Relativitätstheorie, die auf das Vorhandensein der Quantengravitation hinweisen würden.

„Wenn zwei Schwarze Löcher verschmelzen und ein größeres Schwarzes Loch entstehen, klingelt das endgültige Schwarze Loch wie eine Glocke“, erklärt Yanbei Chen (PhD '03), Professor für Physik am Caltech und Mitautor beider Studien. „Die Qualität des Klingelns oder seine Klangfarbe kann sich von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie unterscheiden, wenn bestimmte Theorien der Quantengravitation korrekt sind. Unsere Methoden sind darauf ausgelegt, nach Unterschieden in der Qualität dieser Klingelphase zu suchen, wie etwa den Harmonischen und.“ Obertöne zum Beispiel.“

Der erste Artikel, gemeinsam geleitet von Dongjun Li, einem Doktoranden am Caltech, und Pratik Wagle, einem Doktoranden an der University of Illinois in Urbana-Champaign, berichtet über eine neue einzelne Gleichung, um zu beschreiben, wie Schwarze Löcher in diesem Rahmen klingen würden bestimmte Quantengravitationstheorien oder das, was Wissenschaftler als das über die allgemeine Relativitätstheorie hinausgehende Regime bezeichnen.

Sizheng Ma. Bildnachweis: Caltech

Die Arbeit baut auf einer bahnbrechenden Gleichung auf, die vor 50 Jahren von Saul Teukolsky (PhD '73), dem Robinson-Professor für Theoretische Astrophysik am Caltech, entwickelt wurde. Teukolsky hatte eine komplexe Gleichung entwickelt, um besser zu verstehen, wie sich die Wellen der Raum-Zeit-Geometrie um Schwarze Löcher ausbreiten. Im Gegensatz zu numerischen Relativitätsmethoden, bei denen Supercomputer gleichzeitig viele Differentialgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie lösen müssen, ist die Teukolsky-Gleichung viel einfacher zu verwenden und bietet, wie Li erklärt, direkte physikalische Einblicke in das Problem.

„Wenn man alle Einstein-Gleichungen einer Verschmelzung Schwarzer Löcher lösen will, um sie genau zu simulieren, muss man auf Supercomputer zurückgreifen“, sagt Li. „Numerische Relativitätsmethoden sind unglaublich wichtig für die genaue Simulation von Verschmelzungen Schwarzer Löcher und sie stellen eine entscheidende Grundlage für die Interpretation von LIGO-Daten dar. Für Physiker ist es jedoch äußerst schwierig, aus den numerischen Ergebnissen direkt Intuitionen zu ziehen. Die Teukolsky-Gleichung gibt uns einen intuitiven Einblick.“ Was passiert in der Ringdown-Phase?

Li und seinen Mitarbeitern gelang es zum ersten Mal, Teukolskys Gleichung zu übernehmen und sie für Schwarze Löcher im Bereich jenseits der Allgemeinen Relativitätstheorie anzupassen. „Unsere neue Gleichung ermöglicht es uns, Gravitationswellen zu modellieren und zu verstehen, die sich um Schwarze Löcher ausbreiten, die exotischer sind, als Einstein vorhergesagt hat“, sagt er.

Yanbei Chen. Bildnachweis: Caltech

Der zweite Artikel, veröffentlicht in Physical Review Letters, unter der Leitung des Caltech-Doktoranden Sizheng Ma, beschreibt eine neue Möglichkeit, Lis Gleichung auf tatsächliche Daten anzuwenden, die LIGO und seine Partner in ihrem nächsten Beobachtungslauf erfasst haben. Dieser Datenanalyseansatz verwendet eine Reihe von Filtern, um durch die allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagte Merkmale des Ringings eines Schwarzen Lochs zu entfernen, sodass möglicherweise subtile, über die allgemeine Relativitätstheorie hinausgehende Signaturen aufgedeckt werden können.

„Wir können in den Daten, die LIGO, Virgo und KAGRA sammeln werden, nach Merkmalen suchen, die durch die Dongjun-Gleichung beschrieben werden“, sagt Ma. „Dongjun hat einen Weg gefunden, eine große Menge komplexer Gleichungen in nur eine Gleichung zu übersetzen, und das ist enorm hilfreich. Diese Gleichung ist effizienter und einfacher zu verwenden als die Methoden, die wir zuvor verwendet haben.“

Die beiden Studien ergänzen sich gut, sagt Li. „Anfangs hatte ich Angst, dass die von meiner Gleichung vorhergesagten Signaturen unter den vielen Obertönen und Harmonischen verborgen bleiben würden. Glücklicherweise können die Filter von Sizheng alle diese bekannten Merkmale entfernen, sodass wir uns nur auf die Unterschiede konzentrieren können“, sagt er.

Chen fügte hinzu: „Durch die Zusammenarbeit können die Erkenntnisse von Li und Ma die Fähigkeit unserer Gemeinschaft, die Schwerkraft zu erforschen, erheblich steigern.“

Verweise:

„Perturbations of Spinning Black Holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky Equation“ von Dongjun Li, Pratik Wagle, Yanbei Chen und Nicolás Yunes, 25. Mai 2023, Physical Review X.DOI: 10.1103/PhysRevX.13.021029

„Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning“ von Sizheng Ma, Ling Sun und Yanbei Chen, 4. April 2023, Physical Review Letters.DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.141401

The first study, titled "Perturbations of spinning black holes beyond General Relativity: Modified Teukolsky equation," was funded by the Simons Foundation, the Brinson Foundation, and the National Science Foundation (NSF). Other authors include Nicolás Yunes of the University of Illinois at Urbana-Champaign. The second study, titled "Black Hole Spectroscopy by Mode Cleaning," was funded by the Brinson Foundation, the Simons Foundation, NSF, and the Australian Research Council Center of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav). Ling Sun of the Australian National UniversityFounded in 1946, the Australian National University (ANU) is a national research university located in Canberra, the capital of Australia. Its main campus in Acton encompasses seven teaching and research colleges, in addition to several national academies and institutes." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die Australian National University ist ebenfalls Co-Autor.